礦用防爆柴油機瞬態工況特性及參數優化

魏肖， 鮑久圣， 譚飛， 袁曉明， 陰妍， 張磊

(1.中國礦業大學 機電工程學院， 江蘇 徐州 221116； 2.中國煤炭科工集團太原研究院有限公司， 山西 太原 030006)

0 引言

防爆柴油機以功率大、適用性強、機動性強、運輸效率高等優點[1]，成為目前應用廣泛的井下輔助運輸設備動力裝置之一[2]。與穩態工況相比，瞬態工況下防爆柴油機性能會出現明顯的劣化[3-7]，防爆柴油機的油耗、煙度及CO排放急劇升高，并伴隨轉矩遲滯等現象，而造成防爆柴油機瞬態工況性能劣變的主要原因是供氣量延遲導致缸內燃燒惡化、油耗和排放增加[8]。現有防爆柴油機是在地面柴油機的基礎上，按照相關標準[9]進行進排氣防爆改造研制而成，進氣系統和排氣系統加裝防爆阻火器是改造的關鍵。相較于地面道路，煤礦井下工況更加復雜，防爆柴油機經常處于啟停、加減速等瞬態工況，而防爆阻火器的加裝導致柴油機進排氣嚴重受阻[10-12]，瞬態工況下進排氣系統遲滯加重，瞬態工況特性惡化嚴重。因此，深入研究防爆柴油機瞬態工況特性對解決防爆柴油機性能惡化問題具有積極意義。本文通過建立礦用防爆柴油機穩態仿真模型和瞬態仿真模型，對礦用防爆柴油機在恒轉矩變轉速和恒轉速變轉矩2種典型瞬態工況下的動力和排放性能進行仿真分析，并對噴油提前角和防爆阻火器柵欄數量進行優化。

1 防爆柴油機穩態仿真模型

1.1 模型建立

本文以YCD4J22T-100型4缸自吸柴油機(基本技術參數見表1)為樣機進行防爆改造。根據防爆改造前柴油機基本技術參數(表1)，利用發動機模擬軟件GT-POWER建立防爆改造前柴油機穩態仿真模型，在此基礎上增加進排氣防爆阻火器模型。防爆改造后柴油機穩態仿真模型主要包括進排氣系統、氣缸、曲軸箱系統、噴油器及進排氣防爆阻火器，如圖1所示。

表1 防爆改造前柴油機基本技術參數Table 1 Basic technical parameters of diesel engine before explosion-proof transformation

圖1 防爆柴油機穩態仿真模型Fig.1 Steady state simulation model of explosion- proof diesel engine

1.2 模型驗證

通過防爆柴油機測控平臺[13]進行臺架試驗，得到柴油機燃油消耗率，并計算柴油機單循環噴油量：

(1)

式中：Be為柴油機燃油消耗率臺架試驗值，g/(kW·h)；Ne為柴油機功率，kW；δ為噴油量修正系數，取值范圍為1.10～1.14；i為柴油機氣缸數；n為柴油機轉速，r/min。

將單循環噴油量的值賦給防爆改造前后柴油機穩態仿真模型，通過仿真計算獲取柴油機防爆改造前后轉矩、功率等仿真值，并與臺架試驗獲得的試驗值進行對比，如圖2所示。可看出最大誤差均在5%以內，說明防爆柴油機穩態仿真模型及其相關參數設置較合理。

(a) 轉矩

(b) 功率

2 防爆柴油機瞬態仿真模型

恒轉速變轉矩工況和恒轉矩變轉速工況是2種典型的瞬態工況，啟停、加減速等復雜的瞬變過程從微觀上均可由這2種工況組合而成[14]。為實現防爆柴油機瞬態工況的仿真控制，利用Simulink建立防爆柴油機瞬態工況控制模型，并與防爆柴油機穩態仿真模型耦合形成防爆柴油機瞬態仿真模型。

2.1 模型建立

防爆柴油機瞬態仿真模型如圖3所示。曲軸箱系統可實現柴油機曲軸轉矩的模擬與輸出；防爆柴油機瞬態工況控制模型可對曲軸箱系統輸出的轉矩和轉速進行采集，并利用測功機模塊對轉矩進行PID控制；測功機模塊通過測功機轉矩調節器接收防爆柴油機瞬態工況控制模型發出的信號，調整測功機載荷[15]。

防爆柴油機瞬態工況控制模型如圖4所示。通過MS開關進行恒轉矩變轉速/恒轉速變轉矩控制模式切換。恒轉矩變轉速控制將測功機的轉矩保持在目標值，調節油門開度即可調節柴油機轉速；恒轉速變轉矩控制是根據柴油機當前轉速與目標轉速之間差值，通過PID控制測功機的輸出轉矩與柴油機轉矩保持一致，調節油門開度即可調節柴油機轉矩并保持轉速不變[16]。

圖3 防爆柴油機瞬態仿真模型Fig.3 Transient simulation model of explosion- proof diesel engine

圖4 防爆柴油機瞬態工況控制模型Fig.4 Transient condition control model of explosion- proof diesel engine

2.2 模型驗證

為驗證防爆柴油機瞬態仿真模型模擬的準確性，以恒轉速變轉矩工況為例進行試驗驗證。首先，柴油機以1 400 r/min的恒定轉速持續運行5 s，之后開始轉矩變化過程，在15 s內防爆柴油機油門開度從50%增長到90%并保持20 s，接著在15 s內油門開度從90%降到50%。防爆柴油機仿真值與試驗值對比如圖5所示。可看出整個過程中柴油機轉速保持在1 400 r/min左右，波動不大；在油門開度變化過程中，轉矩仿真值與試驗值最大誤差在5%以內，且轉矩變化趨勢基本與實際工況變化趨勢相符，說明防爆柴油機瞬態仿真模型具有較高的瞬態響應速度，精準度較高。

3 防爆柴油機瞬態工況特性分析

3.1 防爆柴油機恒轉速變轉矩瞬態工況特性

設置防爆柴油機轉速為2 400 r/min，轉矩變化范圍為該轉速下最大轉矩的10%～90%，轉矩變化時間分別為5，15 s。

(a) 轉速

(b) 轉矩

防爆改造前后柴油機瞬態工況下各參數變化曲線如圖6和圖7所示。可看出防爆改造后柴油機空燃比會有一定程度的下降，主要是因為加裝進氣防爆阻火器后進氣量減小，加裝排氣防爆阻火器后排氣受阻，缸內殘余廢氣量增加，導致空燃比下降，同時循環噴油量的增加，也會導致空燃比下降；在柴油機轉矩變化過程中，相比防爆改造前，防爆改造后柴油機空燃比下降更快，主要原因是加裝進排氣防爆阻火器導致柴油機進排氣系統遲滯加重，無法與不斷增長的循環噴油量匹配；在轉矩隨時間升高階段，當循環噴油量達到穩定狀態后的2 s左右，轉矩才能達到穩定狀態，存在轉矩遲滯現象，該現象產生的原因主要是燃燒室內存在溫度遲滯效應[17]和進排氣系統存在響應延遲；轉矩變化時間為15 s時，循環噴油量達到穩定狀態后的1 s左右，轉矩就達到穩定狀態，說明在同一轉速下，轉矩升高越快，遲滯效應越嚴重。

防爆改造前后柴油機缸內最大爆發壓力變化曲線如圖8所示。從整體趨勢來看，在轉速一定的情況下，隨著轉矩升高，柴油機缸內最大爆發壓力升高；相同轉速與轉矩下，防爆改造后柴油機缸內最大爆發壓力比防爆改造前的低；防爆改造后柴油機轉矩變化時間為15 s時，轉矩為152 N·m后缸內最大爆發壓力就基本保持在11.5 MPa不變，而轉矩變化時間為5 s時，轉矩增至213 N·m后缸內最大爆發壓力才基本保持在11.5 MPa左右，這主要是加裝進排氣防爆阻火器后進排氣系統遲滯造成的。

(a) 循環噴油量與空燃比

(b) 轉矩

(a) 循環噴油量與空燃比

(b) 轉矩

圖8 防爆改造前后柴油機缸內最大爆發壓力變化曲線Fig.8 Variation curves of the maximum burst pressure in diesel engine cylinder before and after explosion- proof transformation

3.2 防爆柴油機恒轉矩變轉速瞬態工況特性

設置轉矩分別為120，240 N·m，轉速為1 000～2 400 r/min，轉速變化時間分別為5，15 s。

防爆改造前后柴油機空燃比變化曲線如圖9所示。從整體來看，柴油機空燃比隨著轉速升高而下降，加裝進排氣防爆阻火器后空燃比隨著轉速升高而下降更多；轉速變化時間為15 s時的空燃比比轉速變化時間為5 s時的大；在轉矩為240 N·m的恒轉矩變轉速過程中，空燃比較120 N·m恒轉矩時下降很多，主要是由循環噴油量增加造成的，說明小負荷增轉速過程對空燃比的影響較小。

(a) 轉矩為120 N·m

(b) 轉矩為240 N·m

4 防爆柴油機參數優化

防爆改造后柴油機特性會有所改變，因此需要對防爆柴油機部分參數進行重新設定。噴油提前角對防爆柴油機性能影響很大：噴油提前角過小，會使柴油機油耗增加，排溫升高，噪聲增大，甚至可能燒毀機件；噴油提前角過大，會使柴油機動力下降，可靠性降低。進排氣防爆阻火器的柵欄數量也會對防爆柴油機產生較大影響：柵欄數量過少，起不到防爆效果；柵欄數量過多，會使防爆柴油機進排氣阻力增大，缸內燃燒惡化，動力性能下降，排放性能變差。

4.1 噴油提前角優化

防爆改造前柴油機噴油提前角為15°CA，仿真設置防爆改造后柴油機噴油提前角為13～25°CA，取值間隔2°CA。以轉速變化時間為15 s、轉矩為120 N·m的恒轉矩變轉速工況為例，研究噴油提前角對加裝進排氣防爆阻火器后的防爆柴油機主要參數的影響，結果如圖10所示。

從圖10(a)可看出，相同轉速下，缸內最大爆發壓力隨著噴油提前角增大而增大，噴油提前角每增加2°CA，缸內最大爆發壓力增加4.5～5.5 MPa。原因是隨著噴油提前角增大，滯燃期變長，在滯燃期噴入燃燒室的燃料增多，當著火時，不同氣體在急燃期幾乎同時燃燒，使缸內最大爆發壓力增大[18-19]。從圖10(b)可看出，噴油提前角增大會使最高燃燒溫度增加。從圖10(c)可看出，摩擦轉矩隨噴油提前角增大而增大，噴油提前角每增加2°CA，摩擦轉矩增加0.5～1.5 N·m。從圖10(d)可看出，噴油提前角增大對功率的影響較小。從圖10(e)可看出，CO體積分數隨噴油提前角增大而減小；當噴油提前角為19～25°CA時，CO體積分數隨轉速的變化幅度較小；當噴油提前角小于17°CA時，CO體積分數隨轉速的變化幅度較大。從圖10(f)可看出，隨著噴油提前角增大，HC體積分數減小，但增大噴油提前角對HC體積分數的影響越來越小。從圖10(g)可看出，NOx體積分數隨噴油提前角增大而增大。綜合考慮，在保證防爆柴油機各參數變化在一定范圍內且尾氣排放較少的情況下，認為在轉速變化時間為15 s、轉矩為120 N·m的恒轉矩變轉速工況下，防爆柴油機噴油提前角設置為19°CA較合適。

4.2 進排氣防爆阻火器柵欄數量優化

根據流體力學原理，氣體流動阻力與氣體流速的平方成正比，而加裝進排氣防爆阻火器后，進排氣氣體同時受到管道壁面和防爆阻火器柵欄產生的摩擦阻力[20]，因此防爆改造后進排氣阻力大大增加，在轉速變化過程中氣體流速不斷變化，進排氣阻力也在不斷變化。以直圓管代替進排氣防爆阻火器柵欄(直圓管數量表示進排氣防爆阻火器柵欄數量)，模擬進排氣防爆阻火器對柴油機進排氣的影響。仿真設置直圓管數量為160～280個，取值間隔為20個，增大直圓管數量主要目的是降低直圓管中氣體流速，進而減小進排氣阻力。在轉速變化時間為15 s、轉矩為120 N·m的恒轉矩變轉速工況下，不同進排氣防爆阻火器柵欄數量下防爆柴油機主要參數變化如圖11所示。

(a) 缸內最大爆發壓力

(b) 最高燃燒溫度

(c) 摩擦轉矩

(d) 功率

(e) CO體積分數

(f) HC體積分數

(g) NOx體積分數

從圖11(a)可看出，缸內最大爆發壓力隨進排氣防爆阻火器柵欄數量增多而增大，但增大幅度越來越小。從圖11(b)可看出，最高燃燒溫度隨進排氣防爆阻火器柵欄數量增多而減小，但減小幅度越來越小。從圖11(c)、圖11(d)可看出，進排氣防爆阻火器柵欄數量對摩擦轉矩與功率的影響幾乎可以忽略不計。從圖11(e)—圖11(g)可看出，進排氣防爆阻火器柵欄數量增多對尾氣排放濃度均有一定的抑制作用，原因可能是隨著進排氣防爆阻火器柵欄數量增多，排氣受阻，尾氣在凈化機構內停留時間增長。綜合考慮，在保證防爆柴油機各參數變化在一定范圍內且尾氣排放較少的情況下，認為在轉速變化時間為15 s、轉矩為120 N·m的恒轉矩變轉速工況下，防爆柴油機進排氣防爆阻火器柵欄數量設置為260個較合適。

5 結論

(1) 恒轉速變轉矩瞬態工況下，與防爆改造前柴油機相比，防爆柴油機空燃比下降更快，缸內最大爆發壓力降低，轉矩遲滯現象更明顯，且轉矩升高越快，遲滯效應越嚴重。恒轉矩變轉速瞬態工況下，防爆柴油機空燃比隨著轉速增大而減小，但小負荷增轉速過程對空燃比的影響較小。

(2) 缸內最大爆發壓力、最高燃燒溫度、摩擦轉矩和功率均隨噴油提前角增大而增大，CO和HC體積分數隨噴油提前角增大而減小,NOx體積分數隨噴油提前角增大而增大。噴油提前角增大可提高防爆柴油機動力性能，但考慮到尾氣排放，不能一味增大噴油提前角。因此，在轉速變化時間為15 s、轉矩為120 N·m的恒轉矩變轉速工況下，防爆柴油機噴油提前角設置為19°CA較合適。

(3) 隨著進排氣防爆阻火器柵欄數量增多，防爆柴油機缸內最大爆發壓力增大、最高燃燒溫度減小，進排氣防爆阻火器柵欄數量增多對防爆柴油機摩擦轉矩和功率的影響幾乎可以忽略不計，但對尾氣排放濃度有一定的抑制作用。因此，在轉速變化時間為15 s、轉矩為120 N·m的恒轉矩變轉速工況下，防爆柴油機進排氣防爆阻火器柵欄數量設置為260個較合適。